電気自動車用走行中非接触給電に適したコイル形状と共振回路方式の基礎的検討

• Material Type: 博士論文
• Title: 電気自動車用走行中非接触給電に適したコイル形状と共振回路方式の基礎的検討
• Author/Editor: 山田, 潤
• Author Heading: 山田, 潤
• Publication, Distribution, etc.: 埼玉大学大学院理工学研究科
• Publication Date: 2018
• Publication Date (W3CDTF): 2018
• Periodical title: 博士論文（埼玉大学大学院理工学研究科（博士後期課程））
• Degree grantor/type: 埼玉大学
• Date Granted: 2018-03-23
• Date Granted (W3CDTF): 2018-03-23
• Dissertation Number: 甲第1089号
• Degree Type: 博士(工学)
• Conferring No. (Dissertation): 甲第1089号
• Text Language Code: jpn
• Target Audience: 一般
• Note (General): type:text; 近年，環境問題や省エネルギー対策の観点からガソリン等の化石燃料を使用しないクリーンエネルギー自動車として電気自動車が普及し始めている。政府は，「低炭素社会づくり行動計画」（2008(H20)年 7 月）において，ハイブリッド自動車や電気自動車等の次世代自動車について，2020 年までに新車販売のうち 2 台に1 台の割合で導入するという野心的な目標の実現を目指していることや，「エネルギー基本計画」（2014(H26)年 4 月）では，2030年までに新車販売に占める次世代自動車の割合を５～７割を目指すなど大きな目標を掲げており，電気自動車がより普及していくと考えられる。電気自動車は，CO2 や NOxを排出しないゼロエミッション車として挙げられる。また，エネルギー源が電気であるため，ガソリンスタンドのような特殊な設備を必要とせず，インフラ整備の観点からも有利である。電気自動車の普及に向けた課題の一つとして，連続航続距離や充電時間の問題がある。電気自動車に搭載されるバッテリーの制約により，一回の充電で航続できる距離が短く，充電時間が長い。長距離移動の場合は，車載バッテリーの大容量化やサービスエリアなどに急速充電器を設置する必要がある。 この課題を解決する手法として，走行中非接触給電システムが検討されている。非接触給電は電磁波を伝送媒体として電力を送る方式であり，電気自動車への給電では，磁界結合方式による検討が主流である。走行中非接触給電システムは，路面下に送電用コイルを配置し，走行中の電気自動車に非接触給電をすることで連続航続距離を延ばすことができる。現在は，KAIST や東京大学など世界中で研究が進められている。 本研究では，送電方法に飛び石方式を採用し，走行中非接触給電システムの実現に向けた検討を行った。そこで，給電装置や回路方式について理論的な観点から考察し，複数の送電トランスを用いた給電システムの検討を行った。序論として電気自動車の普及に関する現状と技術的な課題から，走行中非接触給電システムの社会的な意義について述べた。そこで，給電方式や給電装置，回路方式の技術的な背景や，電磁波による周辺環境への影響や規制などを説明し，走行中非接触給電システム実現に向けた課題について述べ，位置づけを明確化し，本研究の目的を掲示した。 次に，磁界構造の異なる円形トランスやソレノイド型トランスと共用可能なトランスとして提案されている Hc 型トランスの給電特性を明らかにした。そこで，回路解析を行い，理論的な観点から特性を評価した。その結果，相対するトランスに合わせた磁界構造となるよう回路設計することで，円形，ソレノイド型トランスと給電を行うことができ，有用性について実証できた。Hc 型トランスを構成している2 つのコイルを並列接続した場合，位置ずれなどで相対するトランスとの相互結合に偏りが生じると，受電コイルの電流が変化し，効率に影響を与えることを理論的な観点から明らかにした。さらに，漏洩電界強度を比較すると，相対するトランス形状によって特性が異なり，円形との給電では円形の特性，ソレノイド型との給電ではソレノイド型の特性に近い電界強度を示した。そして，位置ずれや二次コイル不在時においても制御機構なしで過電流を抑え，定電圧駆動が可能となる中継コイル方式の回路解析と，同様に位置ずれや二次コイル不在時において過電流を抑えられる PS 方式について特性比較を行った。中継コイル方式の回路解析により，受電コイル不在時においてはインピーダンスが最大となり，給電時においては高効率で理想変圧器特性が得られる設計方法を示した。PS 方式との比較では，2 方式に類似性がみられ，中継コイルを一次コイルと密結合となるよう設計することで PS 方式と同様の特性が得られることが分かった。入出力特性は共に一次と二次コイルの巻数比で決定でき，中継部の巻数に依存しない。中継コイル方式のみの特徴として，中継部の巻数を変更することにより，中継部の電圧・電流比を変えることができるため，共振電流を抑えられることが分かった。また，給電実験から 2 方式の特性差異を確認したところ，基本波において近い特性を示し，理論式の妥当性が確認できた。二次コイル不在時での給電特性でも 2 方式は同等の特性を示し，電流波形は三角波となった。三角波となった原因は，インダクタンスの変化と入力の高調波による影響であり，理論的な観点から明らかにした。 また，走行中非接触給電システムに適した PS 方式を用いて，相互結合を考慮した複数の送電トランスを配置した給電システムの回路解析を行い，給電特性への影響を評価にした。そこで，送電トランスを並列接続した場合での特性解析のほか，給電に寄与しないトランスのコイル端子を開放した場合の特性解析を行い，相互結合による影響を理論的な観点から評価した。回路解析の結果，給電に寄与しない送電トランスを開放した場合，コイルに流れる誘導電流により並列接続時と比べ効率が低下する場合があることを明らかにした。対策方法として，開放したトランスのコイル端子を短絡することで，コイルに流れる誘導電流を抑えられ，効率が向上できることを理論的な観点から明らかにした。 最後に各々の成果を総括し，結論を述べた。; 第1章 序論 ............................................................................................................... 1-1 1.1 電気自動車の普及状況 .............................................................................................. 1-1 1.2 非接触給電システムの導入 ....................................................................................... 1-3 1.2.1 磁界結合方式を用いた非接触電力伝送 .............................................................. 1-4 1.2.2 非接触給電部（トランス）の種類 ..................................................................... 1-7 1.2.3 その他の電力伝送方式 ..................................................................................... 1-11 1.3 走行中の電気自動車への給電 ................................................................................. 1-15 1.3.1 ループコイル方式 ................................................................................. 1-15 1.3.2 飛び石方式........................................................................................................ 1-17 1.3.3 中継コイルを用いた方式 .................................................................................. 1-18 1.4 走行中非接触給電システムの実現に向けた課題 .................................................... 1-20 1.4.1 送電方式 ........................................................................................................... 1-20 1.4.2 トランスの磁界構造 ......................................................................................... 1-21 1.4.3 回路方式 ........................................................................................................... 1-22 1.4.4 送電トランス複数配置時の回路設計 ............................................................... 1-22 1.4.5 電磁波による周辺環境への影響 ....................................................................... 1-23 1.5 研究目的と本論文の構成 ........................................................................................ 1-26 1.5.1 研究目的 ........................................................................................................... 1-26 1.5.2 本論文の構成 .................................................................................................... 1-27 第2章 Hc 型トランスの回路解析と性能評価.......................................................... 2-28 2.1 始めに...................................................................................................................... 2-28 2.2 非接触給電トランスについて ................................................................................. 2-29 2.2.1 電気自動車用非接触給電システム ................................................................... 2-29 2.2.2 給電トランスの種類 ......................................................................................... 2-30 2.2.3 Hc 型非接触給電トランスの構造 ...................................................................... 2-31 2.2.4 Hc 型非接触給電トランスの回路構成 .............................................................. 2-33 2.3 回路解析 .................................................................................................................. 2-34 2.3.1 直列接続時の回路 ............................................................................................. 2-35 2.3.2 並列接続時の回路 ............................................................................................. 2-37 2.4 Hc 型トランスの回路............................................................................................... 2-39 2.4.1 トランス効率の導出 ......................................................................................... 2-40 2.4.2 コンデンサの決定 ............................................................................................. 2-42 2.5 シミュレーションによる検証 ................................................................................. 2-43 2.6 給電実験 .................................................................................................................. 2-46 2.6.1 実験概要 ........................................................................................................... 2-46 2.6.2 ギャップ変動特性 ............................................................................................. 2-48 2.6.3 位置ずれ特性 .................................................................................................... 2-49 2.7 漏洩電磁界 .............................................................................................................. 2-52 2.7.1 漏洩電界強度の測定 ......................................................................................... 2-52 2.7.2 漏洩電界強度の比較 ......................................................................................... 2-53 2.7.3 漏洩磁界強度の比較 ......................................................................................... 2-54 2.8 まとめと今後の課題 ................................................................................................ 2-55 2.8.1 まとめ ............................................................................................................... 2-55 2.8.2 今後の課題........................................................................................................ 2-55第3章 中継コイル方式とPS 方式の回路解析と特性評価 ....................................... 3-56 3.1 始めに...................................................................................................................... 3-56 3.2 非接触給電トランスについて ................................................................................. 3-58 3.3 中継コイル方式の回路解析 ..................................................................................... 3-59 3.3.1 二次コイル不在時の入力インピーダンス ........................................................ 3-59 3.3.2 入出力特性........................................................................................................ 3-60 3.3.3 トランス効率，最適負荷 .................................................................................. 3-62 3.3.4 コンデンサの決定 ............................................................................................. 3-63 3.4 PS 方式の回路解析 .................................................................................................. 3-64 3.5 SP 方式の回路特性 .................................................................................................. 3-66 3.6 中継コイル方式と PS 方式の特性比較 ................................................................... 3-67 3.6.1 入出力特性........................................................................................................ 3-67 3.6.2 各部の電圧・電流 ............................................................................................. 3-69 3.6.3 中継コイルの巻線 ............................................................................................. 3-70 3.7 トランスの仕様と回路構成 ..................................................................................... 3-71 3.7.1 トランスの仕様 ................................................................................................ 3-71 3.7.2 入力インピーダンス ......................................................................................... 3-74 3.7.3 回路構成 ........................................................................................................... 3-75 3.7.4 中継コイルの高電圧対策 .................................................................................. 3-76 3.8 給電実験 .................................................................................................................. 3-77 3.8.1 標準状態時の特性 ............................................................................................. 3-77 3.8.2 二次コイル不在時の特性 .................................................................................. 3-78 3.8.3 位置ずれ特性 .................................................................................................... 3-79 3.9 二次コイル不在時の電流値 ..................................................................................... 3-81 3.9.1 基本波による影響（中継コイル方式） ............................................................ 3-82 3.9.2 基本波による影響（PS 方式） ........................................................................ 3-83 3.9.3 高調波による影響 ............................................................................................. 3-84 3.9.4 二次コイル不在時の電流波形と実効値 ............................................................ 3-85 3.9.5 電流値の確認 .................................................................................................... 3-86 3.10 中継コイルを複数用いたトランスの設計方法...................................................... 3-88 3.11 まとめと今後の課題 .............................................................................................. 3-90 3.11.1 まとめ ............................................................................................................. 3-90 3.11.2 今後の課題 ...................................................................................................... 3-90第4章 送電トランスの相互結合を考慮したPS 方式の走行中非接触給電システム 4-91 4.1 始めに...................................................................................................................... 4-91 4.2 走行中非接触給電システム ..................................................................................... 4-92 4.2.1 給電トランスの決定 ......................................................................................... 4-92 4.2.2 地上側コイル間の接続方式の決定 ................................................................... 4-93 4.3 地上コイル並列接続時の回路解析 .......................................................................... 4-95 4.3.1 送電コイル用コンデンサの決定 ....................................................................... 4-96 4.3.2 受電コイル用コンデンサの決定 ....................................................................... 4-98 4.4 給電実験による特性評価 ........................................................................................ 4-99 4.4.1 並列接続時の特性評価 ................................................................................... 4-100 4.4.2 実験結果 ......................................................................................................... 4-102 4.4.3 送電トランス[B]開放時の特性評価 ................................................................ 4-106 4.4.4 実験結果 ......................................................................................................... 4-107 4.5 トランスの接続状態による特性解析 .................................................................... 4-108 4.5.1 送電トランスを並列接続した場合 ................................................................. 4-108 4.5.2 正対していない送電トランスを開放した場合 ............................................... 4-109 4.5.3 実験による検証 ............................................................................................... 4-111 4.6 開放したトランス[B]の接続方法の検討 ............................................................... 4-113 4.6.1 実験比較 ......................................................................................................... 4-114 4.6.2 スイッチ方式の提案 ....................................................................................... 4-115 4.7 送電トランス 3 並列接続による特性評価 ............................................................. 4-116 4.7.1 トランスの仕様と回路構成 ............................................................................ 4-116 4.7.2 正対時と受電トランス不在時 ........................................................................ 4-118 4.7.3 位置ずれ特性 .................................................................................................. 4-121 4.7.4 トランス[C]開放時の特性 .............................................................................. 4-122 4.7.5 開放したトランス[C]のコイル端子を短絡した場合の特性 ........................... 4-124 4.8 出力低下の抑制手法について考察 ........................................................................ 4-126 4.8.1 PSS 方式を用いたインピーダンス変換 .......................................................... 4-127 4.8.2 分割比 s の決定 .............................................................................................. 4-129 4.8.3 シミュレーションによる検証 ........................................................................ 4-130 4.9 まとめと今後の課題 .............................................................................................. 4-131 4.9.1 まとめ ............................................................................................................. 4-131 4.9.2 今後の課題...................................................................................................... 4-131第5章 結論 ........................................................................................................... 5-133 5.1 まとめ.................................................................................................................... 5-133 5.2 今後の課題 ............................................................................................................ 5-134謝辞 .......................................................................................................................... 136参照文献 ................................................................................................................... 137発表論文・実績 ......................................................................................................... 142; 主指導教員 : 金子裕良教授
• DOI: 10.24561/00018487; https://doi.org/10.24561/00018487
• Persistent ID (NDL): info:ndljp/pid/11278512; https://dl.ndl.go.jp/pid/11278512
• Collection: 障害者向け資料
• Collection (Materials For Handicapped People:1): テキストデータ
• Collection (particular): 国立国会図書館デジタルコレクション > デジタル化資料 > 博士論文; https://dl.ndl.go.jp/collections/A00014
• Acquisition Basis: 博士論文（自動収集）
• Date Accepted (W3CDTF): 2019-05-06T10:27:56+09:00
• Date Created (W3CDTF): 2019-02-08
• Format (IMT): application/pdf
• Access Restrictions: 国立国会図書館内限定公開
• Service for the Digitized Contents Transmission Service: 図書館・個人送信対象外
• Availability of remote photoduplication service: 可
• Periodical Title (URI): http://dx.doi.org/10.24561/00018487; http://id.nii.ac.jp/1586/00018487/
• Data Provider (Database): 国立国会図書館 : 国立国会図書館デジタルコレクション; https://dl.ndl.go.jp

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2023-09-04 再収集